Szőke Réka ÜVEGSZÁLAK EGÉSZSÉGKÁROSÍTÓ HATÁSÁNAK TANULMÁNYOZÁSA HAGYOMÁNYOS ÉS NUKLEÁRIS MÓDSZEREKKEL. DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI

Átírás

1 ÜVEGSZÁLAK EGÉSZSÉGKÁROSÍTÓ HATÁSÁNAK TANULMÁNYOZÁSA HAGYOMÁNYOS ÉS NUKLEÁRIS MÓDSZEREKKEL DOKTORI (Ph.D.) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI Szőke Réka ELTE TTK, Kémia Doktori Iskola Iskolavezető: Prof. Dr. Inzelt György, D.Sc. Analitikai, kolloid- és környezetkémia, elektrokémia doktori program Programvezető: prof. Dr. Záray Gyula, D.Sc. Témavezető: Dr. Sziklai László Ibolya MAGYAR TUDOMÁNYOS AKADÉMIA KFKI ATOMENERGIA KUTATÓINTÉZET 2008

2

3 European Aerosol Conference, Gent (Belgium), 28 August-2 September 2005, Book of Abstracts, p R. Szőke, I. Sziklai-László, T. Kerényi and M. Jäckel: Potential Health Effects of BIO-soluble Fiberglass Aerosols. International Aerosol Conference, St. Paul (USA), September 2006, Book of Abstracts, R. Szőke, I. Sziklai-László: Epiboron instrumental neutron activation analysis: An option to unfavourable matrices. Hungarian Radiochemical Conference, Siófok (Hungary), October 2006, Book of Abstracts, 27. További közlemények és konferencia kiadványok 1. I. Sziklai-László, R. Szőke, N. Adányi, I. Kovács, M.Á. Cser: Trace element intakes in asthmatic Hungarian children measured in duplicate food samples by Instrumental Neutron Activation Analysis. XXIII. EAACI, Amsterdam (the Netherlands), June 2004, Book of Abstracts, I. Sziklai-László, R. Szőke, E. Bocskai, I. Kovács, N. Adányi, D. Majchrzak, M. Á. Cser: Some microelement and natural antioxidant vitamin intakes in asthmatic and healthy Hungarian children, XXIV. EAACI, Munich (Germany), June 26-July , Book of Abstracts, Szőke I., Balásházy I., Farkas Á., Hofmann W., Szőke R. and Fakir H: Alpha-hit, cellular dose, cell transformation and inactivation probability distributions of radon progenies in the bronchial epithelium. Rad. Prot. Dos. (2006) 122, Sziklai-László I, Szőke R, Kovács I, Adányi N, Majchrzak D, Cser M. Á.: Natural antioxidant vitamin and trace element intakes in healthy and asthmatic Hungarian adolescents. Metal Ions in Biology and Medicine (2006) 9, A kutatás háttere és célkitűzései A jelen munka részét képezi azon kutatási témának, melynek célja az azbeszt helyettesítésére kidolgozott, ún. bioszolubilis üveggyapot egészségre gyakorolt hatásának feltérképezése. Az üveggyapot alkalmazásának biológiai válaszreakcióit tekintve a WHO három fő kockázati tényezőt jelöl meg: (i) a szál geometriáját, (ii) a dózist és (iii) a bioszolubilitást. Kapcsolódva a korábban elkezdett kutatásokhoz, doktori munkám keretében egy olyan összetett módszert dolgoztam ki, mellyel az üveggyapot egészségre gyakorolt hatása széleskörűen tanulmányozható, illetve megismerhető. A fontosabb célkitűzéseim a következők voltak: 1. A bioszolubilis üveggyapotpor respirábilis frakciójának vizsgálata. 1.1 Mintavételi eljárások kidolgozása a PFLEIDERER Salgótarjáni Üveggyapot RT.-nél, a gyártás különböző szakaszaira. 1.2 A különböző technológiával előállított hagyományos és bioszolubilis üvegszálporok fizikai paramétereinek (szélesség, hosszúság) meghatározása mikroszkópos képanalitikai módszerekkel. 2. Az üveggyapot légzőrendszeri kiülepedésének vizsgálata a Sztochasztikus Tüdőmodellel. 2.1 Az üveggyapotból származó respirábilis frakció légúti generációnkénti-, regionális- és teljes kiülepedés-eloszlásának meghatározása a mért fizikai paraméterek függvényében, különböző légzésintenzitások mellett. 1

4 3. Az üveggyapot minták kémiai összetételének vizsgálata műszeres neutronaktivációs analitikai módszerrel. 3.1 Az üveggyapot makro- és mikrokomponenseinek meghatározása hagyományos neutronaktivációs analitikai módszerrel (INAA). 3.2 Új epibóros aktivációs analitikai eljárás (ENAA) kidolgozása, amely lehetővé teszi az INAA kiterjesztését a kis koncentrációban előforduló elemek (pl. As, La, Th, U, W,...) rövid felezési idejű izotópjai alapján történő meghatározását a főkomponensek (Ca, K, Na, P) zavaró hatásának kiküszöbölésével. 4. A hagyományos és a bioszolubilis üveggyapotpor egészségkárosító hatásának vizsgálata. 4.1 Az üvegszál hatására kialakuló szöveti válasz tanulmányozása in vivo kísérletekben (a SOTE II. Patológiai Intézettel együttműködve). Alkalmazott módszerek Az üveggyapotszálak méreteloszlásának vizsgálata optikai mikroszkóphoz kapcsolt számítógépes képanalizátorral és pásztázó elektronmikroszkópiával. Az üveggyapot kémiai összetételét egyrészt a hagyományos, másrészt az újonnan kidolgozott epibóros neutronaktivációs analízissel vizsgáltam. Ez utóbbi alkalmazásához a Budapesti Kutatóreaktor egy jól termalizált besugárzó csatornáját választottam. légzőrendszeri kiülepedése. Könyv: Környezet és Egészség. Tanulmányok egyes környezeti, fizikai és kémiai tényezők hatásairól. Szerkesztő: Köteles Gy. és Tompa A., Possum Kiadó, Budapest (2008) ISBN A tézisekhez kapcsolódó konferencia kiadványok 1. R. Szőke, I. Sziklai- László, I. Balásházy, T. Kerényi, I. Szőke, J. Szabó: Physical parameters, chemical composition and airway deposition of fiber-glass aerosols. 6 th Hungarian Aerosol Conference, Debrecen (Hungary), October Book of Abstracts, p R. Szőke, I. Sziklai-László, J. Szabó, I. Balásházy, T. Kerényi: (2002) Experimental analysis of fiber-glass aerosols. Annual Hungarian Radiochemical Conference, Gyula (Hungary), October Book of Abstracts, R. Szőke, I. Sziklai-László, B. Alföldy, A. Pintér, I. Balásházy, W. Hofmann: Physical parameters, chemical composition and lung deposition of man-made fibrous particles. European Aerosol Conference. Extended Abstracts, J. Aerosol Sci. (2003) S415-S416. ISSN R. Szőke, I. Sziklai-László, A. Pintér, T. Kerényi: Size distribution and airway deposition of fibrous glasses. European Aerosol Conference, Extended Abstracts, J. Aerosol Sci. (2004) II. S1137-S R. Szőke: Kísérleti módszerek kidolgozása, az üveggyapot egészségre gyakorolt hatásának elemzése. Őszi Reaktorfizikai Iskola, Seregélyes (Hungary), September Book of Abstracts, R. Szőke, A. Simonits, J. Östör: Epiboron k 0 -NAA: Experiences and Possibilities. 4 th k 0 -Users Workshop, Madeira (Portugal), September Book of Abstracts, R. Szőke, I. Sziklai-László, T. Kerényi, M. Jäckel: Characterization of Exposure and Dose of Glass Fibres in Experimental Studies. 2 7

5 anyagok esetében is. A kidolgozott epibóros NAA a gyakorlatban jól alkalmazható módszer, melynek paraméterei számítással ellenőrizhetők és az adott besugárzási viszonyokhoz adaptálhatók. A tüdőbe lejutó bioszolubilis üveggyapotszál, eddigi ismereteink alapján, a sejtnedvek hatására 1 hónap alatt feloldódik, így a geometriájából adódóan nem okoz tartós tüdőkárosodást. A szálak szubmakroszkópikus részecskéi vagy a szövetekben oldott komponensei azonban további szövethatással rendelkezhetnek. A tézisek alapjául szolgáló megjelent közlemények 1. R. Szőke, I. Sziklai-László, I. Balásházy, T. Kerényi, A. Pintér: Potential health effects of size distribution and chemical composition of fibrous glasses. Metal Ions in Biology and Medicine (2004) 8, I. Balásházy, M. Ahmed, W. Hofmann, R. Szőke, A. El-Hussein and Abdel-Rahman Ahmed: Deposition and health effects of inhaled fibers in bronchial airways. Inhal. Toxicol. (2005) 17 (13), M. Jäckel, Á. Sáfrány, P. Hargittai, R. Szőke, F. Pott, T. Kerényi: Lung effects of conventional and biosoluble glass fibres as asbestos substitutes. An experimental study. AARMS (2005) 4 (2), R. Szőke, B. Alföldy, I. Sziklai-László, I. Balásházy, W. Hofmann: Size Distribution, Chemical Composition and Pulmonary Deposition of Hungarian Biosoluble Fibrous Glasses. Inhal. Toxicol. (2007) 19, R. Szőke, I. Sziklai-László: Epiboron k 0 -NAA: an option to analyze unfavorable matrices. J. Radioanal. Nucl. Chem. (2008) 275, Az értekezés tárgykörében megjelent könyvfejezet 1. Balásházy Imre, Kudela Gábor, Zichler Szilvia, Dobos Erik, Horváth Alpár, Szőke Réka, Horváth Ildikó: Inhalált aeroszolok 6 Az üvegszálak tüdőben történő kiülepedését a Sztochasztikus Tüdőmodellel, a kiülepedett szálak hatását pedig in vivo patkány kísérletekben vizsgáltam. Tézisek Munkám főbb eredményei a következők: 1. Meghatároztam a különböző eredetű üvegszálporok fizikai paramétereit. A gyár légteréből származó bioszolubilis üveggyapot 90%-ban 2-4 µm szélességű szálakat tartalmaz, az üvegszálak 82%- ának a hossza 3,6-16 µm között változik. A szálak 67%-nak az aerodinamikai átmérője 5-8 μm közötti tartományba esik. 2. Elsőként írtam le a tényleges, gyártás során gyűjtött bioszolubilis üveggyapotból származó aeroszolok légzőrendszeri kiülepedéseloszlását és megállapítottam, hogy: 2.1 a tracheo-bronchiális és acináris régióban együttesen az inhalált szálak maximum 12%-a, míg az extrathorakális régióban a szálak 80-99%-a ülepedik ki, a légzés intenzitásától függően. 2.2 Meghatároztam, az egységnyi felületre jutó üvegszálak kiülepedési sűrűségét a légzőrendszer egészében és egyes szakaszaiban. Az inhalált szálak tömegének mintegy 94-99%-a az extrathorakális régióban ülepedik ki. A bronchiális régióban a kiülepedés mértéke nagyobb, mint az acináris régióban. 3. Meghatároztam a bioszolubilis üveggyapot kémiai összetételét neutronaktivációs analízissel. 3

6 3.1 Az ENAA módszer bevezetéséhez és alkalmazásához terveztem és készítettem több nagy belméretű bór-karbid tokot, és meghatároztam egy ideálisnak tekinthető, a 10 B-ra vonatkozó 500 mg/cm 2 felületsűrűséget, amely az 1/v-s izotópok termikus aktiválás elnyomása mellett az epitermikus tartományban rezonanciákkal rendelkező izotópok (pl. 65 Zn, 76 As, 122 Sb, 233 Pa, 239 Np,...) aktiválását csak minimálisan csökkenti. Az 500 mg/cm 2 felületsűrűséggel rendelkező bóros tokot neutronszűrőként alkalmaztam. 3.2 Elsőként dolgoztam ki és vezettem be az epibóros aktivációs analízis hazai alkalmazását, amely a hagyományos INAA-val kombinálva lehetővé tette az üveggyapot kémiai összetételének nagypontosságú meghatározását. Az epibóros NAA módszer megbízhatóságát és pontosságát standard referencia anyagok és elemi standardok mérésével ellenőriztem. 3.3 Kísérletileg meghatároztam a Budapesti Kutatóreaktor 17/2- es besugárzó csatornájában 25 (n,γ) magreakció bórviszonyát, melyeket számítással is ellenőriztem. A mért és számított értékek közötti eltérés kisebb, mint 7%. További 25 (n,γ) magreakcióra közöltem számított értékeket. 3.4 Megállapítottam, hogy bóros árnyékolás alkalmazásával a közel 1/v-s targetelemekből keletkező izotópok ( 24 Na, 42 K, 38 Cl, 46 Sc, 52 V,...) aktivitása mintegy 130 és 600 közötti faktorral csökken. Ezáltal a kényszerű (rendszerint 5-7 nap) várakozási idő is jelentősen csökkenthető (~ 1 óra), lehetővé téve órás felezési idejű izotópok (pl. 4 a 2,57 órás 56 Mn és a 13,76 órás 69m Zn,) mérése alapján a mangán és cink nagypontosságú meghatározását is. 4. Az SOTE II. Patológiai Intézet munkatársaival közösen végzett in vivo kísérletek alapján igazoltam, hogy a bioszolubilis üveggyapot a sejtnedvek hatására lényegesen gyorsabban oldódott, mint a hagyományos üvegszál. A patkánytüdőbe instillációval lejuttatott bioszolubilis üvegszálak az első hónap végére szinte teljesen eliminálódtak a tüdőszövetből és nem váltottak ki fibrózist, vagy malignus sejtproliferációt. Következtetések A gyár munkahelyi légterében lebegő bioszolubilis üvegszálak nagy része, a méretükből adódóan, nem respirábilis. A bronchiális régióban, a légzés intenzitásától függően, az inhalált szálak maximum 5%-a ülepedik ki. A bóros tokok a 24 órás besugárzás és ~3 hét hűtés után ismételten felhasználhatóak (a dózisteljesítmény <25 μgy/h), így a besugárzási geometria változásával hosszabb távon nem kell számolni. Legfeljebb egy új tok alkalmazásánál kerülhet sor egy ún. finomhangolásra, hogy a gyártásból adódó szórást, pl. 10 B-ra vonatkozó felületi sűrűséget, korrigáljuk. Bórárnyékolással az 1/v-snek tekintett reakciók elnyomása mellett a hagyományos INAA-nál jobb szelektivitás érhető el mintegy 60 (n,γ) reakcióra. A két módszer kombinálásával lehetővé vált a roncsolásmentes panorámaanalízis az eddig kedvezőtlen mátrixanyagnak tekintett geológiai és biológiai 5